鹰潭西门子一级代理

0 概述
　　气体公司调节间于2001年10月投入运行，是我厂技改项目的配套工程。其作用是提供调节适当的生产用气（氧气、氮气及氩气），来满足生产单位的需求。
　　近几年，随着我厂生产规模的逐步扩大,就更加要求气体调节在生产中的稳定性和快速性，而目前传统的二次仪表已无法满足现有的控制需求。主要表现在：
　　1）过程自动化程度低，信息采集和反馈仍采用传统的二次仪表，致使数据采集缓慢、调节滞后，降低了系统运行的稳定性。
　　2）仪表内部信息储存量小，采集的压力、流量等数据无法长期保存，不便于日后生产工作的历史查询和分析。
　　3）系统可靠性低，需要配专人负责该系统的运行，造成了人工成本的上升；
　　鉴于以上三点，通过采用PLC（可编程控制器）控制系统，解决当前存在的问题。

　　1 PLC控制系统的特点及组成
　　PLC在现代工业控制领域中早己得到了广泛的应用。以PLC的控制功能而言，具有严谨、方便、易编程、易安装、可靠性高等优点。它通用性强，适应面广,特别在数字量输入/输出等逻辑控制领域有无可比拟的优点。PLC具有丰富的逻辑控制指令和应用指令，它提供高质量的硬件、高水平的系统软件平台和易学易编程的应用软件平台。另外，PLC即有自身的网络体系又有开放I／0及通讯接口，很容易组建网络并实现远程访问。
　　PLC采用Siemens公司生产的S7-300系列，由于现场的PLC系统与主控室的上位机距离较远（800米左右），因此通讯系统需成对加装RS-485中继器，另外在现场增加TP27-10https://触摸屏进行数据显示，确保系统运行的稳定性。
　　1.1 系统结构及硬件配置
　　根据控制需求，CPU模块采用CPU314、数字量输入（DI）采用SM321模块，数字量输出(DO) 采用 SM322模块，模拟量输入(AI) 采用 SM331模块，模拟量输出(AO) 采用 SM332模块以及IM365等模块组成，IM365实现机架扩展，上位监控机采用SIEMENS公司CP5611网卡完成计算机与PLC之间的数据通讯。整个通讯网络采用MPI的通讯协议，从上位机上可对整个气体调节过程进行监控和操作。
　　
　　1．2控制系统的功能实现
　　PLC程序的编制直接关系着供气系统能否正常工作，而程序设计的关键在于编程者对工艺系统的理解程度和程序编制技术的灵活应用。因此，在程序设计中首先考虑了供气压力调节系统的特点，将程序设计细化，分成多个程序模块，实行模块化编程。这样既可以方便的增加或删除程序模块，便于现场对工艺的调整，又可针对配套设备可控性对不同程序模块进行完善。
　　PLC的编程软件采用SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 V5.1软件平台用来完成硬件组态、地址和站址的分配以及编制整个生产过程的控制程序的。上位机监控软件采用国产软件组态王，全部采用汉化界面，便于系统的开发与操作，该系统运行于bbbbbbs2000中文平台，可实现对生产过程的全面监控，对重要参数形成历史记录，以报表或曲线的形式显示给操作人员。通过VB语言脚本，可以在主控室的上位机显示重要参数的历史趋势、实时趋势，实现压力调节的手自动切换、操作、压力的高、低限报警、流量数据的显示与累计，满足高生产率的调度需求。
 
      1.3 现场显示
　　现场采用TP27触摸屏进行参数显示、控制，触摸屏程序由组态软件来完成，人机界面采用中文菜单，界面友好，操作方便，功能较强，主要用于现场压力、流量、阀位的显示与操作。可作为操作人员现场操作的依据。　　
　　1.4 工控机配置
　　工控机采用研华IPC-610，通过CP5611卡，完成S7-300 PLC与工控机的通讯。主要完成下列任务：传送现场监控数据；运行监控；故障记录和排除提示；参数设置；生产数据管理和处理；图形化示教和离线编程。　　
　　2 系统实现了供气系统的自动控制和监控，主要包括如下功能：
　　1）灵活的操作方式以及强大的系统控制功能：
　　系统可以实现上位机操作、控制柜触摸屏操作和就地手动操作；
　　2）报警功能：
　　 当压力超过工艺要求，可在现场、就地实现高、低限压力报警；
　　3）简单、方便的参数设定：
　　压力调节阀的压力设定值、P、I、D等参数可以在上位机中设定。　　
　　2.1 系统控制功能
　　（1）过程控制的功能：
　　1)系统对供气压力实现了PID自动调节控制；
　　2)对所采集的模拟信号进行线性化、滤波、工程单位转换处理；
　　3)实现了流量信号的温、压补偿，提高了仪表的测量精度。　　
　　（2）逻辑控制
　　联锁逻辑控制实现开/关的控制，逻辑控制及用户自定义功能块等。系统实现了电磁阀控制以及参数越限报警等功能。
　　（3）人机接口
　　HMI系统中包含主工艺画面，各系统送气压力、流量，供气压力调节等多幅画面，画面直观、丰富，具备PID在线调节、在线显示调节曲线功能，包括过程量变化趋势的实时趋势曲线、历史趋势曲线。
　　（4）报表打印
　　以报表形式绘制报警记录、历史记录画面，调节间数据报表。实时趋势曲线和历史趋势曲线可随意设定时间段，打印在线趋势，历史趋势曲线。
　　
　　3 软件设计
　　根据该系统具体情况，PLC系统软件设计过程中着重要考虑的是以下几个方面：　　　　
　　（1） 数据采集及工程量转换　　
　　（2） PID算法　　　

　　（3） 流量温压补偿计算以及流量的累积计算
　　对于系统中的逻辑控制选用梯形图（LADDER）编程，直观、方便；对于PID回路控制流量温压补偿计算以及流量的累积计算部分则采用语句表（STL）编程，结构紧凑而又灵活。
　　PID调节是该系统中为重要的控制程序，因此特将PID算法作一重点介绍。
　　
　　3．1 PID算法　　
　　STEP7提供了两种常用的PID算法：连续型PID（FB41）和离散型PID（FB42），根据实际要求，选用的是FB41。并在组态王中使用画图功能模拟一个PID调节器的操作面板，完成PID调节控制中的手/自动切换、给定值输入、手动输出值输入、PID参数（比例系数、积分时间）输入等功能。　　PID算法的输出实际上是比例（P）、积分（I）、微分（D）三部分作用之和：
　　Mn＝MPn＋MIn＋MDn　　
　　MPn ＝ GAIN（SPn－ PVn）　　
　　MPn ＝ GAIN  TS／ TI（SPn－ PVn）＋ MX　　
　　MDn ＝ GAIN  TD／ TS（PVn－1－ PVn）　　
　　Mn：第n次采样时刻的输出值。
　　MPn：第n次采样时刻的比例作用，与偏差成正比。
　　MIn：第n次采样时刻的积分作用，可以消除静差，提高控制品质。
　　MDn：第n次采样时刻的微分作用，根据差值的变化率调节，可抑制超调。　　　　SPn：第n次采样时刻的设定值。
　　PVn：第n次采样时刻的过程值。
　　MX：第n－1次采样时刻的积分作用，每次采样计算后自动刷新。
　　GAIN：回路增益，P参数。
　　TI：积分时间常数，即I参数。
　　TI：微分时间常数，即D参数。
　　TS：采样时间。
　　　　从上面的公式中可以看出，参数P（GAIN）与P、I、D作用都是成正比的，它决定了PID回路的灵敏度，即调节速度的快慢；I参数越大，积分作用越弱，而D参数越大，微分作用越强。不能单靠理论计算来确定PID参数，唯一的衡量标准就是被控参数（压力）的精度和稳定度，所以在实际调试中，都是参照被控参数的实时曲线，反复观察分析，从而达到佳的控制效果。

4 采用该系统的意义
　 （1）计算机化管理使得系统信息储存量大，数据采集与反馈及时、准确，系统的生产数据可实现长期保存，有利于生产数据的历史查询和故障的即时排除；
　 （2）该系统投入运行后，通过计算机显示与控制，提高了过程自动化的程度，可实现无人调节操作，减少了操作环节，降低了运行成本，使系统的管理和控制上了一个新台阶。

 1  引言
       现代工业控制系统通常以PC机为上位机，通过与现场工控设备如PLC的数据交换与处理，实现对生产过程的自动控制。对于小型控制系统，采用专门的组态软件成本太高，用VB设计监控系统则可以降低成本，但首先要解决上位机与PLC之间通信问题。以往使用较多的进程间通信方式是DDE(动态数据交换)方式，随着OPC

技术的发展和普及，它已成为工业过程控制的通信标准。OPC服务器有两类接口，其中自动化接口主要用于VB、Delphi等开发工具。本文利用罗克韦尔公司提供的OPC接口，用VB编写了客户端应用程序，实现了上位机与AB可编程控制器之间的数据交换。

2  OPC技术简介
       OPC(OLE for Process Control—用于过程控制的对象连接与嵌入)是一套以微软对象连接与嵌入OLE、组件对象模型COM、分布式组件对象模型DCOM(Distributed COM)技术为基础，基于bbbbbbs操作平台，为工业应用程序之间提供高效的信息集成和交互功能的组件对象模型接口标准。OPC实际上是提供了一种机制，通过这种机制，系统能够以服务器/客户端标准方式从服务器获取数据并将其传递给任何客户应用程序。这样，只要生产商开发一套遵循OPC规范的服务器与数据进行通信，其他任何客户应用程序便能通过服务器访问设备。
      OPC服务器有两类接口:定制接口和自动化接口。定制接口为C++程序服务，自动化接口为VB这一类可使用自动化对象的程序服务。定制接口是服务商必须提供的，而自动化接口则是可选的，不过OPC基金会提供了一个叫做“自动化包装器”的动态连接库，用于在两者间转换。
OPC数据存取规范规定的基本对象有三类:服务器(server)、组(group)和数据项(item)。服务器对象包含服务器的所有信息，也是组对象的容器，一个服务器对应于一个OPC server，即一种设备的驱动程序。组对象除了包含它自身信息外，还负责管理数据项。每一个数据项代表到数据源的一个连接，但它没有提供外部接口，客户端程序无法对数据项直接进行操作，应用程序必须依靠数据项的容器组对象来对它进行操作。

3  通信实现
3.1  RSLinx的配置
       RSLinx是AB可编程控制器在bbbbbbs环境下建立工厂所用通信方案的工具，它不仅提供了多种网络驱动程序，而且提供了快速的OPC、DDE和Custom C/C++接口。本设计中上位机与Logix5550控制器采用RS-232串口方式连接，在RSLinx中要对DF1网络驱动程序组态，设置串口特性:COM1、波特率19200bps、一个停止位、无奇偶校验、全双工、BCC校验码。此外要使用RSLinx的OPC接口作为服务器，还要在RSLinx中对OPC进行配置。

3.2  安装OPC自动化接口服务
      若要用VB开发OPC应用程序，必须安装OPC自动化接口服务，保证计算机系统目录下有OPCDAAuto.dll。OPC基金会提供了一个叫做“自动化包装器”的动态连接库，从OPC基金会的网站(www.opcfoundation.org)可下载。在VB环境中，按“工程”的子菜单“引用…”后，弹出对话框，选择其中的“RSLinx OPC Automation 2.0”项，这样才能使用自动化接口。

3.3  程序设计
         用VB编写了OPC客户端应用程序，实现了上位机与Logix5550控制器之间的通信。主要程序代码如下:

(1) 连接OPC服务器
Dim WithEvents MyOPCServer As OPCServer      ‘定义服务器对象变量MyOPCServer
Dim WithEvents MyOPCGroup As OPCGroup      ‘定义OPC组对象变量MyOPCGroup
Set MyOPCServer = New OPCServer
MyOPCServer.Connect "RSLinx OPC Server" ‘连接RSLinx 的OPC服务器

(2) 添加OPC组对象
Set MyOPCGroup=MyOPCServer.OPCGroups.Add("Group1")   
‘添加OPC组对象MyOPCGroup.IsSubscribed= True    
‘设置该组数据为后台刷新
MyOPCGroup.IsActive = True 
‘设置该组为激活状态
MyOPCGroup.UpdateRate=1000     
‘设置数据刷新时间为1000

(3) 添加数据项
Dim abItemIDs() As bbbbbb     
‘项标识符
Dim abClientHandles() As Long 
‘客户端句柄
Dim abServerHandles() As Long
‘服务器端句柄
Dim abErrors() As Long   
Dim i As Long
ItemCount=5
Dim oOPCItem As RSLinxOPCAutomation.OPCItem
For i = 1 To 5
abItemIDs(i) = "[" & txtTopic & "]" & txtItem(i)  ‘将Topic名和标签名赋给项标识符
abClientHandles(i) = i    
‘给客户端句柄赋值
Next i
MyOPCGroup.OPCItems.AddItems ItemCount, abItemIDs, abClientHandles, abServerHandles, abErrors
‘添加数据项操作

(4) 同步数据读写
OPC数据存取有同步方式和异步方式两种。异步读写数据复杂，需要与事件结合使用，与同步相比速度慢但准确性高。同步读写数据简单，直接使用OPCItem的方法即可。
Dim One As OPCItem
Dim Index As Long  
‘Index为标签顺序号
Dim OneRead As bbbbbb
Dim Xie As bbbbbb     
Set One = MyOPCGroup.OPCItems(Index)
One.Read OPCCache
OneRead = One.Value  
‘读数据
One.Write (Xie) 
‘写数据
若只读取数据，可以使用DataChange事件，当控制器中所要访问的数据一旦发生改变时将会触发该事件，并将该数据自动读到TxtValue文本框。
Private Sub MyOPCGroup_DataChange(ByVal TransbbbbbbID As Long, ByVal NumItems As Long, ClientHandles() As Long, ItemValues() As Variant, () As Long, TimeStamps() As Date)
‘自动刷新数据
Dim i As Long
For i = 1 To NumItems
txtValue(ClientHandles(i)) = ItemValues(i)     
‘获取项的值
txtTime(ClientHandles(i)) = TimeStamps(i)    
‘获取项的时间戳
txt(ClientHandles(i))=Get((i)) 
‘获取项的品质
Next i
End Sub

(5) 断开OPC服务器
MyOPCServer.OPCGroups.RemoveAll  
‘移除所有OPC Group，空出资源
Set MyOPCGroup = Nothing 
MyOPCServer.Disconnect 
‘断开连接

4  结束语
       利用本文介绍的方法，在实验室实现了上位机和PLC之间的通信